JP5286648B2

JP5286648B2 - 光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置

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Publication number: JP5286648B2
Application number: JP2006138319A
Authority: JP
Inventors: 喜和杉山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007309758A

Description

本発明は、光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置に関するものである。

現在、さまざまな機器の検査に単色光または所望の分光特性を持った光が必要とされる。このうち、単色光については白色光源などの光を分光器に導くことにより比較的簡単に作ることができる。一方、ＣＣＤ（特にデジカメなどの可視用のもの）などの検査には、特定の波長分布を持った光が使用される。特定の波長分布を持った光を形成する方法として、従来、多層膜を用いたフィルタが用いられていた。

しかしながら、多層膜を用いたフィルタの場合、比較的安価に作ることができるが、自由にスペクトル分布を作ることは難しい。また、蒸着により多層膜を形成したフィルタは同じものを数多く作る場合、コストを下げることができるが、多くの種類のものを少量作る場合はコストが高くなる。また、特に開発の段階での評価では多くの種類の分光特性を持ったフィルタが要求される。

又、ある波長分布を有する光から、その波長分布と異なる波長分布を有する光を形成するスペクトル変調器は、所望の波長分布を持つ光を形成する目的のために必要とされる。

さらには、従来のスペクトル測定装置は、回折格子やプリズム等の分光素子を回転させて、光量測定装置に入射する光の波長を変えることにより、光のスペクトルを測定していたので、可動部があり、機構が複雑になるという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、可動部が無く、異なった波長分布の光を放出することができる光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、光源と、偏光分離素子と、分光素子と、集光光学系と、２つの偏光変調素子とを有し、前記光源からの光を前記偏光分離素子に導いてＰ偏光とＳ偏光の光路を分離して、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光をそれぞれ前記分光素子に入射させ、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光ごとに前記分光素子で分散された光波長ごとに前記分光素子の後に置かれた前記集光光学系でそれぞれ結像させ、この結像位置には、前記分散された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光のそれぞれの波長の光の結像位置に対応するようにライン状に並んだ前記２つの偏光変調素子を配し、前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光の光の波長ごとに所望の量だけ偏光を変調することができるように前記２つの偏光変調素子が別々に制御可能であり、偏光を変調された各々の光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した２光路の光と偏光状態が直交する成分の光を、対応する前記各々の光から取り出して出力光とすることを特徴とする光源装置である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記２つの偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とするものである。

本発明の第１の参考形態は、前記第２の手段であって、前記ＰＢＳと前記分光器の間に、入射光の入射方向に対して光軸が傾いた結晶板、又はサバール板を配置したことを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、偏光分離素子と、分光素子と、集光光学系と、２つの偏光変調素子とを有し、前記光源からの光を前記偏光分離素子に導いてＰ偏光とＳ偏光の光路を分離して、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光をそれぞれ前記分光素子に入射させ、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光ごとに前記分光素子で分散された光を波長ごとに前記分光素子の後に置かれた前記集光光学系でそれぞれ結像させ、この結像位置には、前記分散された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光のそれぞれの波長の光の結像位置に対応するようにライン状に並んだ前記２つの偏光変調素子を配し、前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光の光の波長ごとに所望の量だけ偏光を変調することができるように前記２つの偏光変調素子が別々に制御可能であり、偏光を変調された各々の光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した２光路の光と偏光状態が直交する成分の光を、対応する前記各々の光から取り出して出力光とすることを特徴とするスペクトル変調器である。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記２つの偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とするものである。

本発明の第２の参考形態は、前記第４の手段であって、前記ＰＢＳと前記分光器の間に、入射光の入射方向に対して光軸が傾いた結晶板、又はサバール板を配置したことを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、偏光分離素子と、分光素子と、集光光学系と、２つの偏光変調素子と、光量検出器とを有し、前記光源からの光を前記偏光分離素子に導いてＰ偏光とＳ偏光の光路を分離して、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光をそれぞれ前記分光素子に入射させ、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光ごとに前記分光素子で分散された光を波長ごとに前記分光素子の後に置かれた前記集光光学系でそれぞれ結像させ、この結像位置には、前記分散された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光のそれぞれの波長の光の結像位置に対応するようにライン状に並んだ前記２つの偏光変調素子を配し、前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光の光の波長ごとに所望の量だけ偏光を変調することができるように前記２つの偏光変調素子が別々に制御可能であり、偏光を変調された各々の光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した２光路の光と偏光状態が直交する成分の光を、対応する前記各々の光から取り出して、前記光量検出器で光量を測定し、前記２つの偏光変調素子による変調量と前記光量検出器で測定された光量の関係より、入射する光の分光特性を求めることを特徴とするスペクトル測定装置である。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記２つの偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とするものである。

本発明の第３の参考形態は、前記第６の手段であって、前記ＰＢＳと前記分光器の間に、入射光の入射方向に対して光軸が傾いた結晶板、又はサバール板を配置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、可動部が無く、異なった波長分布の光を放出することができる光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例であるスペクトル変調器の光学系の概要を示す図である。図１（ａ）は、光学系の半分（回折格子まで）を上面から見た図、図１（ｂ）は光学系を側面から見た図、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示されなかった光学系の残りの部分（回折格子は両方の図面に示されている）を下面から見た図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、入射光は、２つの三角形のプリズムを張り合わせた偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１に入射する。ＰＢＳ１を構成する１つの三角形のプリズムの張り合わせ面２にはＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するコートが施してある。そこで、この面に入射した光はそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光成分に分けられ、２つの異なる光路へと導かれる。

２つの光路に分離された光は、それぞれ、ＰＢＳ１を構成するプリズム側面で全反射され、ＰＢＳ１を構成するプリズムの後面におかれたピンホール板３のピンホールに入射する。このとき、図にあるようにピンホールはＰ偏光用とＳ偏光用の２つが用意されている。また、光源からの光はこのピンホールに集光するように、レンズなどによって集光光でＰＢＳ１に入射させる。

そして、図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、このピンホールから出てきた光はその後に置かれた球面鏡４によりコリメートされて平行光束となり、回折格子５に入射する。そして、回折格子５で、図１（ｂ）に示されるように波長分散された光は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、球面鏡６により集光され、各波長ごとに、ピンホールに共役な位置にピンホール像を作る。具体的にはＰ偏光、Ｓ偏光のそれぞれの光の分散に対応して２列のライン状の像ができる。この実施の形態においては、この２列のラインのピンホール像の結像位置に合わせて反射型のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）素子アレイ７が置かれている、このＬＣＯＳ素子アレイ７は、図１（ｃ）に示すように２段（Ｐ偏光、Ｓ偏光に対応）のライン状になっており、ピンホール像に対応するようになっている。

そして、このＬＣＯＳ素子アレイ７に入射した光は、ＬＣＯＳ素子により偏光が変調される。具体的にはＬＣＯＳ素子の偏光軸はＰ偏光、Ｓ偏光の光軸に対して45°傾いており、その方向とそれに直交する方向の電場成分に自由に位相差をかけることができるようになっている。変調によって、直線偏光であった入射光が楕円偏光になり、反射されて入射した光路を逆にたどって進行する。そして球面鏡６でコリメートされた光は回折格子５に入射し、波長分散されていた光が合成されて球面鏡４に入射し、ピンホール上に集光される。ピンホールを通過した光は、ＰＢＳ１に入射する。

ＰＢＳ１に戻ってきた光は、前述のようにＬＣＯＳ素子で変調され楕円偏光となっているので、ＰＢＳ１で分離されてピンホール板３に向かったＰ偏光には、それがＰＢＳ１に帰ってきたときにはＳ偏光成分が含まれている。このうち、Ｐ偏光成分は、ＰＢＳ１のコートを透過し、入射光と同じ方向に戻っていくが、Ｓ偏光成分はＰＢＳ１のコートで反射され、図１（ａ）に射出光と書かれた方向に射出される。

同様、ＰＢＳ１で分離されてピンホール板３に向かったＳ偏光には、それがＰＢＳ１に帰ってきたときにはＰ偏光成分が含まれている。このうち、Ｓ偏光成分は、ＰＢＳ１のコートで反射され、入射光と同じ方向に戻っていくが、Ｐ偏光成分はＰＢＳ１のコートを透過し、図１（ａ）に射出光と書かれた方向に射出される。

このようにして、図１（ａ）に射出光と書かれた方向には、ＬＣＯＳ素子で変調された成分だけを取り出すことができ、従って、ＬＣＯＳ素子アレイ７の各ＬＣＯＳ素子での変調の度合いを制御することにより、異なったスペクトル分布を有する光を取り出すことができ、スペクトル変調器として使用することができる。なお、ＬＣＯＳ素子アレイ７は、Ｐ偏光用とＳ偏光用の２つがあるので、これらを別々に制御することにより、射出光の偏光の状態をも併せて制御することができる。

以上の説明においては、スペクトル変調器としての実施の形態を説明したが、図１に示す光学系に所定の光源を加えれば、これらが、スペクトル分布を制御できる光源として使用できることは明らかである。

又、図１に示す光学系に、射出光の光量を測定する光量検出器を加えれば、これらをスペクトル測定装置として使用することができる。例えば、ＬＣＯＳ素子アレイ７を構成するＬＣＯＳ素子のうち、１つの波長に対応するＬＣＯＳ素子において、入射するＰ偏光の全て（又は規定％）をＳ偏光に、入射するＳ偏光の全て（又は前述の規定％）をＰ偏光にするような変調をかけ、他の波長については、変調をかけず、Ｐ偏光は全量Ｐ偏光で反射させ、Ｓ偏光は全量Ｓ偏光で反射させるようにすれば、変調をかけられた波長の光のみが光量検出器で検出される。この測定を、変調をかける波長を順次変えて行えば、入射光のスペクトル分布を測定することができる。このスペクトル測定器は、機械的な可動部がなく、機構が簡単である。

図２は、図１におけるＰＢＳ１の変形例を示す図である。ＰＢＳ１の構成以外の光学系は、図１に示したものと同じであり、簡略化して示してある。このＰＢＳ１は、４つのプリズムよりなり、プリズム１１とプリズム１２の貼り合わせ面にＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するコートが施してある。そこで、この面に入射した光はそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光成分に分けられ、２つの異なる光路へと導かれる。Ｓ偏光は反射されてプリズム１３に入射し、プリズム１３のカット面で全反射されて、プリズム１３から射出し、次の光学系に向かう。Ｐ偏光はコート面を透過してプリズム１２のカット面で全反射してプリズム１４に入射し、プリズム１４のカット面で全反射されて、プリズム１４から射出し、次の光学系に向かう。この場合、若干形状が複雑であるが、各プリズムの面同士が90°か45°だけで交わるので場合によっては加工が容易である。このビームスプリッタの作用は、図１に示したものと同じである。

以上の説明では、偏光分離素子として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、偏光変調素子として液晶変調偏光素子ＬＣＯＳを用いたが、偏光分離素子としては、この他にも、光学結晶で構成されているもの等を使用することができ、又、偏光変調素子としては、磁気光学空間光変調器等を使用することもできる。

図３は、図１におけるＰＢＳ１の後（ＰＢＳ１とピンホール板２の間）に、結晶板１５を設けた図である。この結晶板の結晶軸は、入射光の光軸方向に対して傾いており、この場合、Ｐ偏光が常光線、Ｓ偏光が異常光線となるようになっている。よって、Ｓ偏光は結晶板１４中を斜め方向に進行し、結晶板１５を出た後は、元の光軸方向に進行する。すなわち、光軸が図の上下方向にシフトする。

これにより、図３に示されるように、入射光が貼り合わせ面２に入射する点と、射出光が、貼り合わせ面２から射出される点が、図の左右方向に異なる点となる。これにより、ＰＢＳ１単体を単体で使用したときに比べて消光比を大きくできる利点がある。なお、結晶板の変わりにサバール板を用いても、同じ効果が得られる。

本発明の実施の形態の１例であるスペクトル変調器の光学系の概要を示す図である。図１におけるＰＢＳの変形例を示す図である。図１におけるＰＢＳの後に、波長板又はサバール板を設けた図である。

符号の説明

１…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、２…プリズムの貼り合わせ面、３…ピンホール板、４…球面鏡、５…回折格子、６…球面鏡、７…ＬＣＯＳ素子アレイ

Claims

光源と、偏光分離素子と、分光素子と、集光光学系と、２つの偏光変調素子とを有し、前記光源からの光を前記偏光分離素子に導いてＰ偏光とＳ偏光の光路を分離して、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光をそれぞれ前記分光素子に入射させ、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光ごとに前記分光素子で分散された光波長ごとに前記分光素子の後に置かれた前記集光光学系でそれぞれ結像させ、この結像位置には、前記分散された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光のそれぞれの波長の光の結像位置に対応するようにライン状に並んだ前記２つの偏光変調素子を配し、前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光の光の波長ごとに所望の量だけ偏光を変調することができるように前記２つの偏光変調素子が別々に制御可能であり、偏光を変調された各々の光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した２光路の光と偏光状態が直交する成分の光を、対応する前記各々の光から取り出して出力光とすることを特徴とする光源装置。
前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記２つの偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
偏光分離素子と、分光素子と、集光光学系と、２つの偏光変調素子とを有し、前記光源からの光を前記偏光分離素子に導いてＰ偏光とＳ偏光の光路を分離して、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光をそれぞれ前記分光素子に入射させ、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光ごとに前記分光素子で分散された光を波長ごとに前記分光素子の後に置かれた前記集光光学系でそれぞれ結像させ、この結像位置には、前記分散された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光のそれぞれの波長の光の結像位置に対応するようにライン状に並んだ前記２つの偏光変調素子を配し、前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光の光の波長ごとに所望の量だけ偏光を変調することができるように前記２つの偏光変調素子が別々に制御可能であり、偏光を変調された各々の光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した２光路の光と偏光状態が直交する成分の光を、対応する前記各々の光から取り出して出力光とすることを特徴とするスペクトル変調器。
前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記２つの偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とする請求項３に記載のスペクトル変調器。
偏光分離素子と、分光素子と、集光光学系と、２つの偏光変調素子と、光量検出器とを有し、前記光源からの光を前記偏光分離素子に導いてＰ偏光とＳ偏光の光路を分離して、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光をそれぞれ前記分光素子に入射させ、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光ごとに前記分光素子で分散された光を波長ごとに前記分光素子の後に置かれた前記集光光学系でそれぞれ結像させ、この結像位置には、前記分散された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の光のそれぞれの波長の光の結像位置に対応するようにライン状に並んだ前記２つの偏光変調素子を配し、前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光の光の波長ごとに所望の量だけ偏光を変調することができるように前記２つの偏光変調素子が別々に制御可能であり、偏光を変調された各々の光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した２光路の光と偏光状態が直交する成分の光を、対応する前記各々の光から取り出して、前記光量検出器で光量を測定し、前記２つの偏光変調素子による変調量と前記光量検出器で測定された光量の関係より、入射する光の分光特性を求めることを特徴とするスペクトル測定装置。
前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記２つの偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とする請求項５に記載のスペクトル測定装置。