JPH0695036A

JPH0695036A - 光学素子

Info

Publication number: JPH0695036A
Application number: JP18274093A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyuki Hagiwara; 恒幸萩原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】微細な物体のもつフーリエスペクトルを従来
よりも広い周波数領域において観察する。【構成】光の入射端が球面Ｓ上の異なる位置に配列さ
れると共に、光の射出端が２次元の格子状に配列された
複数の四角柱状光ファイバ１１−１，１１−２，１１−
３，‥‥を束ねて構成する。それら四角柱状光ファイバ
の光の入射端をその球面Ｓの中心Ｏを通る平面に正射影
して得られる配列とそれら四角柱状光ファイバの光の射
出端の配列とを相似にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光学的フーリエ
変換を応用した各種検査装置又は各種測定装置に適用し
て好適な光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子等をフォトリソグラフ
ィー技術を用いて製造する際に、回路パターンが描画さ
れたフォトマスクが使用される。斯かるフォトマスクの
欠陥検出装置においては、そのフォトマスク上のパター
ンからの光をフーリエ変換して得られる空間周波数空間
のパターンよりそのパターンの欠陥の有無の判別又は欠
陥の分類を行う場合がある。このように対象物からの光
を光学的にフーリエ変換する場合に、フーリエ変換光学
素子が使用される。

【０００３】一般に、２次元の開口に平面波を入射した
ときの回折光をその開口から無限遠の観測点で測定した
場合に、フラウンホーファー回折の回折パターンが得ら
れるが、この回折パターンがその開口を光学的にフーリ
エ変換したものである。これを数学的に表現するため
に、その２次元の開口の存在する平面を開口面と呼び、
ｘ，ｙ直交軸をとる。その開口面における入射平面波の
振幅分布をＦ（ｘ，ｙ）とする。また、その開口から無
限遠の観測点を空間周波数ｕ，ｖで表わし、この観測点
における回折パターンの振幅分布をｆ（ｕ，ｖ）とする
と、振幅分布Ｆ（ｘ，ｙ）と振幅分布ｆ（ｕ，ｖ）との
間には、次の（１）式に示すフーリエ変換の関係があ
る。ｆ（ｕ，ｖ）＝Ｃ∬Ｆ（ｘ，ｙ）exp[-2πi(ux+vy)]dxdy （１）

【０００４】この（１）式において、Ｃは定数であり、
積分記号∬は変数ｘ及びｙに関する−∞から＋∞までの
積分を表す。また、開口面の位置の座標ｘ，ｙと無限遠
の観測点の空間周波数空間の座標ｕ，ｖとの間には
（２）式の関係がある。（ｌ−ｌ₀ ）／λ＝ｕ，（ｍ−ｍ₀ ）／λ＝ｖ（２）ここに、λは入射平面波の波長、ｌ₀ 及びｍ₀ はそれぞ
れ入射平面波が開口面に入射する際のｘ軸及びｙ軸の方
向余弦、ｌ及びｍはそれぞれ開口面から無限遠の座標
（ｕ，ｖ）の観測点に向かう光のｘ軸及びｙ軸の方向余
弦である。

【０００５】従来はその種のフーリエ変換光学素子とし
てはレンズ（フーリエ変換レンズ）が使用されていた。
１次元の場合を例にとって、フーリエ変換レンズの条件
を説明する。図６は１次元のフーリエ変換を行う場合の
光学系を示し、この図６において、開口面Ｐ１の法線を
ｚ軸に一致させた直交座標系において、開口面Ｐ１の上
にｘ，ｙ直交軸をとり、開口面Ｐ１上に座標系の原点を
含むようにｘ方向の幅がξの開口１が形成されている。
この開口１が左方向から入射する平面波Ｉで照明されて
いる。また、２は光軸がｚ軸と一致する、焦点距離がｆ
のフーリエ変換レンズを示し、開口面Ｐ１をレンズ２の
物体焦点面内に配置し、レンズ２の像焦点面内に、光軸
に垂直な、観測面Ｐ２が形成される。その観測面Ｐ２上
にｘ，ｙ軸に平行にＵ，Ｖ軸をとる。フーリエ変換レン
ズ２の条件は以下の２個である。

【０００６】条件無限遠点での観測結果と等価の観
測結果を得るため、同じ方向余弦の回折光（例えば回折
角θの回折光ｉ₁ 及びｉ₂ ）を１点に集束しなければな
らない。そのためにはフーリエ変換レンズ２の前側焦点
面に開口面Ｐ１を、後側焦点面に観測面Ｐ２を一致させ
なくてはならない。この条件が満足されないと、空間周
波数と方向余弦とが一対一に対応しない。

【０００７】条件フーリエ変換レンズ２の後側焦点
面の光軸を原点とする直交座標であるＵ軸及びＶ軸によ
るＵＶ平面でフーリエ変換パターンを観察するために、
フーリエ変換レンズ２は次の（３）式、（４）式の特性
を持つ。Ｕ＝ｆｓｉｎθ_x＝ｆｌ（３），Ｖ＝ｆｓｉｎθ_y＝ｆｍ（４）但し、ｆはレンズ２の焦点距離、θ_xは視野角のｘ成
分、θ_yは視野角のｙ成分である。ところで、フーリエ
変換情報は通常空間周波数ｕ，ｖの直交座標上に示さ
れ、フーリエ変換の定義により次の関係が成立する。ｕ＝（ｌ−ｌ₀)／λ （５），ｖ＝（ｍ−ｍ₀)／λ （６）但し、各変数の意味は以下の通りである。ｌ：回折光の方向余弦（ｘ軸に平行な成分），ｌ₀：０次回折光の方向余弦（ｘ軸に平行な成分），ｍ：回折光の方向余弦（ｙ軸に平行な成分），ｍ₀：０次回折光の方向余弦（ｙ軸に平行な成分）

【０００８】次に、方向余弦ｌ₀及びｍ₀を用いて、次
のような座標Ｕ₀及びＶ₀を導入する。Ｕ₀＝ｆｌ₀ （７），Ｖ₀＝ｆｍ₀ （８）これは、ＵＶ平面上での０次回折光の位置は、（７）式
及び（８）式の（Ｕ₀,Ｖ₀)で表されることを意味する。
（３）式〜（８）式より、次の関係が成立する。ｕ＝{1/(λｆ)}（Ｕ−Ｕ₀) （９），ｖ＝{1/(λｆ)}（Ｖ−Ｖ₀) （１０）（９）式、（１０）式は、ＵＶ平面上に点（Ｕ₀,Ｖ₀)を
原点として、空間周波数ｕ，ｖの直交座標をλｆの係数
で相似変換したスペクトル分布が観察されることを示し
ている。以下では、スペクトルの観察面であるＵＶ平面
をフーリエ変換面と呼ぶことにする。

【０００９】以上の条件より、フーリエ変換レンズ２の
後側焦点面の観測面Ｐ２に、振幅分布３の回折像が形成
される。観測面Ｐ２の空間周波数空間の直交座標は
（ｕ，ｖ）であり、（１）式に対応させると、開口面Ｐ
１の開口１における入射平面波Ｉの振幅分布がＦ（ｘ，
ｙ）、観測面Ｐ２における回折像の振幅分布がｆ（ｕ，
ｖ）で表される。また、その回折像の強度は｜ｆ（ｕ，
ｖ）｜² であるが、この強度分布は分布４のようにな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６の
如き従来のフーリエ変換レンズ２を用いる光学系では、
広帯域の空間周波数におけるフーリエ変換を行うために
はレンズの直径が大きくなる。またレンズの光軸方向の
厚みも考慮すると、例えば回折角θが９０゜付近の回折
光に対するフーリエ変換をそのフーリエ変換レンズ２で
行うのは実用上非常に困難である。これに関して、その
ように回折角θが大きくなるのは入射平面波で照明され
る物体の構造が微細である場合である。

【００１１】また、例えばｆθレンズは、角度θで射出
される光束をその角度θに比例する位置に集束するレン
ズであるが、このような場合にも、その角度θが大きく
なると、そのレンズの直径をかなり大きくしなければな
らないが、それには限界がある。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑み、所定の領域から
射出される光を所定の変換規則に従って平面上に集束す
る際に、その射出角が例えば９０°に近い程大きい場合
でもその変換規則に従ってその光をその平面上に集束で
きる光学素子を提供することを目的とする。また、本発
明は、特に微細な物体のもつフーリエスペクトルを従来
よりも広い周波数領域において観察できる光学素子を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の光学
素子は、例えば図１に示す如く、それぞれ光の入射端が
球面Ｓ上の異なる位置に配列されると共に、それぞれの
光の射出端が２次元の格子状に配列された複数の光伝達
素子（１１−ｉ，１１−ｊ）を束ねて構成したものであ
る。また、第２の光学素子はその第１の光学素子におい
て、それら複数の光伝達素子（１１−ｉ，１１−ｊ）の
光の入射端をその球面Ｓの中心Ｏを通る平面に正射影し
て得られる配列とそれら複数の光伝達素子の光の射出端
の配列とが相似であるものである。

【００１４】この場合、それら複数の光伝達素子（１１
−ｉ，１１−ｊ）はそれぞれライトガイドであることが
望ましい。また、それら複数の光伝達素子の光の入射端
が、例えば図４の入射端（１４−１ａ，１４−２ａ）で
示すように、それぞれその球面Ｓに略垂直であることが
望ましい。また、その第２の光学素子において、それら
複数の光伝達素子（１１−ｉ，１１−ｊ）の光の入射端
をその球面Ｓの中心Ｏを通る平面へ正射影して得られる
配列とそれら複数の光伝達素子の光の射出端の配列とが
それぞれ直交座標上の配列であることが望ましい。

【００１５】

【作用】斯かる本発明の第１の光学素子によれば、複数
の光伝達素子の光の入射端が球面Ｓ上に配置されてい
る。従って、その球面Ｓの中心Ｏ付近に観察対象物等を
配置して例えば平面波で照明すると、その観察対象物か
ら所定の角度で射出された光が球面Ｓ上で対応する光伝
達素子の入射端に入射する。従って、この光伝達素子の
射出端をその入射する光の角度に応じて例えばフーリエ
変換レンズ、ｆθレンズ又は通常のレンズ等の変換規則
に従って配列しておくことにより、その光学素子でそれ
らフーリエ変換レンズ、ｆθレンズ又は通常のレンズ等
と同等の光学的変換を実行できる。

【００１６】また、本発明の第２の光学素子は光学的な
フーリエ変換を行う素子であるが、この第２の光学素子
は以下の２点に着目して提案されたものである。先ず、
第１に光学的なフーリエ変換は微細な欠陥を検査する検
査装置等で適用されるが、例えば欠陥検査装置において
は、十分な光量で欠陥を照明して欠陥による散乱光の光
量を光電変換可能なレベルにする必要がある。このため
多くの欠陥検査装置では、照明光を光学系により集光
し、検査対象物の微小領域のみを照明することにより、
欠陥部への照明光量を確保している。

【００１７】第２に、フーリエ変換面の情報を実時間で
処理する場合、一般にフーリエ変換像の強度分布の情報
が用いられる。そのため、ほとんどの場合フーリエ変換
面には１次元又は２次元のイメージセンサが設置され、
このイメージセンサにより光の強度分布が電気信号に変
換される。

【００１８】以上の第１の観点及び第２の観点について
補足説明する。第１の観点について、図６の従来例に示
すように、フーリエ変換レンズ２の前側焦点面である開
口面Ｐ１上のフーリエ変換されるべき対象の存在範囲
（幅ξの開口１）が十分に小さい場合、レンズによる集
束作用を用いなくてもフラウン・ホーファー回折の条件
である無限遠の観測点における光量分布と等価の光量分
布を得ることができる。

【００１９】具体的に、フーリエ変換されるべき対象が
ｘ方向に±ｘｅ、ｙ方向（図６の紙面に垂直な方向）に
±ｙｅの内側に限定されるとき、次の（１１）式を満足
することで、図６の回折光ｉ₁ 及びｉ₂ はもはや分離で
きず、フーリエ変換レンズ２の後側焦点面の観測面Ｐ２
で光束を集束する特性はそのフーリエ変換レンズ２には
必要ない。ｆ≫｛２（ｘｅ² ＋ｙｅ² ）｝／λ （１１）例えば、λ＝６３３［ｎｍ］、ｘｅ＝ｙｅ＝０．１［ｍ
ｍ］とすれば、ｆ≫６０［ｍｍ］となる。つまり、変換
対象の存在範囲ｘｅ及びｙｅと焦点距離ｆとの兼ね合い
により、前述したフーリエ変換用の光学素子の第１条件
である「集束の条件」は不要となる。

【００２０】また、上記第２の観点について、図６に示
すフーリエ変換レンズ２では、フーリエ変換面である観
測面Ｐ２に位相情報を含むフーリエ変換像の振幅分布３
が得られるが、フーリエ変換像の強度分布のみに着目す
るのであれば、位相情報は必要ない。また、近時は光の
強度分布を観測するのに１次元又は２次元のイメージセ
ンサが使用されるが、それら１次元又は２次元のイメー
ジセンサの画素は有限の大きさを持っているので、連続
的なフーリエスペクトルは得られない。しかしながら、
実際には連続的なフーリエスペクトルは必要はなく、イ
メージセンサのの画素に対応した離散的なスペクトルが
得られれば十分である。本発明は以上述べたように、フ
ーリエ変換されるべき対象の存在範囲が比較的小さく、
また、フーリエ変換面に１次元又は２次元のイメージセ
ンサ（光電変換素子のアレイ）を配置した場合に、フー
リエ変換面の像の強度分布を観測するのに最適なフーリ
エ変換光学素子に関するものである。

【００２１】次に、図７を参照して、本発明の第２の光
学素子の基本原理を説明する。この図７において図６に
対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略
する。図７において、開口面Ｐ１上のｘ方向の幅ξの開
口１を中心に半径ｆの円周５を想定する。その半径ｆを
（１１）式の焦点距離ｆに代入して、ｙｅ＝０、２ｘｅ
＞ξとした場合、その（１１）式の条件が満足されるよ
うにその半径ｆを決定する。

【００２２】次に前述したフーリエ変換用の光学素子の
第２条件である「像高の条件」を満たすように、光伝達
素子６の入射端面６ａを円周５上に配置し、その光伝達
素子７の射出端面６ｂを座標系（Ｕ，Ｖ）のフーリエ変
換面Ｐ３上に配置する。即ち、開口１に左方向から入射
した平面波Ｉの内で、その開口１からその入射端面６ａ
に向かう光と開口面Ｐ１の法線とがなす角度をθとする
と、「像高の条件」を満足するためには光伝達素子６は
像高Ｈ₁ がｆ・ｓｉｎθとなるように光を伝達すればよ
い。そのため、光伝達素子６の射出端面６ｂから射出す
る光がフーリエ変換面Ｐ３でその像高Ｈ₁ の点像となる
ように、フーリエ変換面Ｐ３上にその射出端面６ｂを配
置すればよい。

【００２３】図７の例では光伝達素子６は開口面Ｐ１の
法線方向に平行な形状であり、入射端面６ａは円周５の
円弧に一致し、射出端面６ｂは開口面Ｐ１と平行な端面
であるので、フーリエ変換面Ｐ３は開口面Ｐ１と平行に
形成される。フーリエスペクトルの分解能は、光伝達素
子６の入射端面６ａの大きさに依存する。即ち、入射端
面６ａに入射する開口１からの光は図７においては角度
θの光で示されているが、実際には入射端面６ａは点で
はなく、開口１から見た場合の角度幅δの幅を持ってい
る。従って、そのフーリエスペクトルの分解能はその角
度幅δに相当する程度になる。

【００２４】また、フーリエスペクトルで必要な部分に
対応して、円周５上に角度θ₁ ，θ ₂ ，θ₃ の方向に入
射端面６−１ａ，６−２ａ，６−３ａを有し、フーリエ
変換面Ｐ３上に射出端面６−１ｂ，６−２ｂ，６−３ｂ
を有する光伝達素子６−１，６−２，６−３を増設する
には、それぞれの像高ｈａ，ｈｂ，ｈｃがｈａ＝ｆ・ｓ
ｉｎθ₁ ，ｈｂ＝ｆ・ｓｉｎθ₂ ，ｈｃ＝ｆ・ｓｉｎθ
₃ となるように各光伝達素子の入射端面の円周５上の角
度を設定すればよい。

【００２５】このようにしてフーリエ変換面Ｐ３には、
フーリエスペクトルの強度分布が形成される。各々の光
伝達素子の入射端面を小さくして分解能を高めること
で、図７の分布７で示すようなほぼ連続的なフーリエス
ペクトルの強度分布が得られる。フーリエ変換面Ｐ３の
強度分布を光電変換する場合には、例えばｕ方向に所定
ピッチで幅ｄ₂ の受光素子よりなる画素ｇ₁ ，ｇ₂ ，‥
‥，ｇ_n が形成されたイメージセンサ８をそのフーリエ
変換面Ｐ３に配置すればよい。

【００２６】ところで、市販されているイメージセンサ
を使用することを考えると画素の大きさ及び画素数の自
由度はあまりないので、イメージセンサに合わせて、フ
ーリエ変換面の大きさを縮小又は拡大する必要がある。
この場合の簡単な例を図８に示す。図８において、開口
面Ｐ１上の開口１を中心とする円周５上にそれぞれ入射
端面を有する一連の光伝達素子９−１〜９−ｎが束ねら
れている。また、開口面Ｐ１に平行なフーリエ変換面Ｐ
３上で任意の光伝達素子９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）が通過す
る座標をＵ、その変換面Ｐ３から右方の変換面Ｐ４上で
その光伝達素子９−ｉが通過する座標をＵ′とすると、
各光伝達素子９−１〜９−ｎの射出部の径を縮小させる
ことで、Ｕ′＝ｋＵ（ｋは１より小さい定数）の関係が
成立するようにしている。

【００２７】図７及び図８の光伝達素子においては、そ
れら複数の光伝達素子（６−１，９−１等）の光の入射
端面をその円周５の中心Ｏを通る平面に正射影して得ら
れる配列とそれら複数の光伝達素子の光の射出端面のフ
ーリエ変換面Ｐ３又はＰ４における配列とが相似であ
る。

【００２８】次に図９を用いて落射照明の場合について
説明する。図９において、開口面Ｐ１上には、フーリエ
変換されるべき対象としてｘ方向の幅がξの反射型パタ
ーン１０が配置されている。波長λの入射平面波Ｉは、
開口面Ｐ１の法線に対する正反射方向の反射角がθ₀ と
なるようにその開口面Ｐ１を照明している。この場合、
開口面Ｐ１への斜入射の影響により、入射平面波Ｉは開
口面Ｐ１においてｘ軸に沿って正弦的に変化する位相分
布を持ち、フーリエスペクトルの強度分布は横ずれを起
こす。

【００２９】その反射角θ₀ の反射光が円周５と交差す
る際の像高をＨ₀ とすると、フーリエ変換面Ｐ３におけ
るフーリエスペクトルの強度分布は、図７の場合に比べ
てＵ軸に沿って（７）式のＵ₀ だけシフトする。しかし
ながら、光伝達素子６を入射端面がその円周５に接する
ように配置することにより、図７の場合と同様にフーリ
エ変換面Ｐ３上にフーリエスペクトルの横ずれした強度
分布が得られる。

【００３０】また、それら光伝達素子（６−１，９−１
等）をそれぞれ光ファイバ又は内面が鏡面加工された円
柱状のミラー等のライトガイドから構成することによ
り、効率良く光が入射面から射出面に導かれる。更に、
複数の光伝達素子の光の入射端が例えば図４に示すよう
に球面Ｓに略垂直である場合には、球面Ｓの中心近傍か
らの光が効率的に各光伝達素子に取り込まれる。

【００３１】また、第２の光学素子において、複数の光
伝達素子の光の入射端をその球面Ｓの中心を通る平面へ
正射影して得られる配列とそれら複数の光伝達素子の光
の射出端の配列とがそれぞれ直交座標上の配列である場
合には、フーリエ変換面における光の強度分布が直交座
標上で得られ以後の処理が容易になる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明による光学素子の第１実施例に
つき図１及び図２を参照して説明する。本例の光学素子
は光学的にフーリエ変換を行うものである。図１は第１
実施例の光学素子の透過斜視図であり、この図１におい
て、ｘ軸とｙ軸とよりなる直交座標系上の原点Ｏを中心
として所定半径の半球の面Ｓを想定する。また、ｘ軸及
びｙ軸よりなる平面（ｘｙ平面）から距離Ｌだけ離れた
位置にＵ軸とＶ軸とよりなる直交座標系を想定し、ｘ軸
とＵ軸とを平行とし、且つｙ軸とＶ軸とを平行にする。
また、ｘｙ平面の原点ＯとＵ軸及びＶ軸よりなる平面
（ＵＶ平面）の原点とを貫く直線はそれぞれｘｙ平面及
びＵＶ平面に垂直である。

【００３３】そして、それぞれＵ方向の幅がＤｕでＶ方
向の幅がＤｖの底面を有する多数の四角柱状光ファイバ
を密に束ねる。それら四角柱状光ファイバの内の代表的
な２個を１１−ｉ及び１１−ｊで表し、他の四角柱状光
ファイバの本体を省略する。この場合、ＵＶ平面上では
それら多数の四角柱状光ファイバの一方の端面（例えば
斜線を施した端面１１−ｉｂ及び１１−ｊｂ）がそれぞ
れ方眼状の各マス目に位置している。一方、それら多数
の四角柱状光ファイバの他方の端面（例えば斜線を施し
た端面１１−ｉａ及び１１−ｊａ）はそれぞれ半球の面
Ｓの一部を成している。また、他方の端面が半球の面Ｓ
上にない四角柱状光ファイバは削除してある。

【００３４】図２は図１の半球の面Ｓの中心を通る面に
沿う概略断面図であり、この図２において、半球の面Ｓ
の端部から四角柱状光ファイバ１１−１，１１−２，１
１−３，‥‥が密に配列されている。また、各四角柱状
光ファイバはそれぞれコア１１−１ｃ，１１−２ｃ，１
１−３ｃ，‥‥及びクラッド１１−１ｄ，１１−２ｄ，
１１−３ｄ，‥‥より構成されている。この場合、例え
ば四角柱状光ファイバ１１−６の他方の端面１１−６ａ
のコア部分には、半球の面Ｓの中心からの光の内で射出
角がθ₁ 〜θ₂ の光が入射し、一方の端面１１−６ｂか
らその光が射出する。同様に、四角柱状光ファイバ１１
−２の他方の端面１１−２ａのコア部には射出角がθ₃
の近傍の光が入射し、一方の端面１１−２ｂからその光
が射出する。

【００３５】そして、その半球の面Ｓの半径をｆとする
と、例えば四角柱状光ファイバ１１−２に関しては、そ
の他方の（入射側の）端面１１−２ａに入射する光の射
出角θ₃ と一方の（射出側の）端面１１−２ｂのＵ軸上
の座標ｕ₃ との間には、図２より明かなように次の関係
がある。ｕ₃ ＝ｆ・ｓｉｎθ₃ 他の四角柱状光ファイバ１１−ｋ（ｋ＝１，３，４，‥
‥）についても同様の関係が成立している。これにより
それら四角柱状光ファイバを束ねて構成される光学素子
がフーリエ変換用の光学素子として作用することが分か
る。

【００３６】この例では、半球の面Ｓの中心付近から光
軸に対して９０°程度の角度で射出される光は、例えば
四角柱状光ファイバ１１−１により効率的にＵＶ平面に
伝播するので、広い周波数帯域のフーリエスペクトルを
良好なＳＮ比で観察できる。なお、四角柱状光ファイバ
１１−ｉの代わりに通常の円柱状の光ファイバを使用し
てもよい。円柱状の光ファイバの場合は集光効率が多少
劣るが、製造が容易である。

【００３７】次に、本発明の第２実施例につき図３を参
照して説明する。図３（ａ）は第２実施例の光学素子の
概略断面図であり、この図３（ａ）においては、図２の
四角柱状光ファイバ１１−ｉ（ｉ＝１，２，‥‥）がそ
れぞれ中空の四角柱状パイプ１２−ｉによって置き換え
られている。他の構成は第１実施例と同様である。図３
（ｂ）はその四角柱状パイプ１２−ｉを代表する四角柱
状パイプ１２を示し、この四角柱状パイプ１２は隔壁１
３によって囲まれ、４個の内面が鏡面１２ｄで構成さ
れ、中空部１２ｃを光が通過する。

【００３８】従って、図３（ａ）において、半球の面Ｓ
の内部から射出された光は四角柱状パイプ１２−ｉの各
鏡面１２−１ｃ，１２−２ｃ，１２−３ｃ，‥‥で反射
されて、各中空部１２−１ｄ，１２−２ｄ，１２−３
ｄ，‥‥を通過してフーリエ変換面であるＵＶ平面に達
する。この実施例においても、四角柱状パイプ１２−ｉ
のそれぞれの一方の端面１２−１ｂ，１２−２ｂ，１２
−３ｂ，‥‥はＵＶ平面内で配列され、それぞれの他方
の端面１２−１ａ，１２−２ａ，１２−３ａ，‥‥は半
球の面Ｓに接するように配列されている。

【００３９】次に、本発明の第３実施例につき図４を参
照して説明する。この第３実施例においては、図２の第
１実施例と同様に各光伝達素子が光ファイバより構成さ
れ、各光ファイバの入射側の端面の中心と射出側の端面
の中心との位置関係も第１実施例と同様である。しかし
ながら、本実施例では第１実施例に比べて光の伝播効率
が高められている。即ち、光ファイバには固有の開口角
があるため、図２の例において、射出角θ₁ 〜θ₂ で入
射する四角柱状光ファイバ１１−６の内部よりも、平均
的な射出角θ₃ で入射する四角柱状光ファイバ１１−２
の内部での光の伝播効率が一般に小さい。これは、光フ
ァイバの入射側の端面での光束の入射角を垂直に近づけ
ることにより解消することができる。

【００４０】図４は本例の光学素子の概略断面図であ
り、この図４において、原点Ｏを中心とする半球の面Ｓ
の端部から順に光ファイバ１４−１，１４−２，１４−
３，‥‥が配列されている。また、各光ファイバはそれ
ぞれコア１４−１ｃ，１４−２ｃ，１４−３ｃ，‥‥及
びクラッド１４−１ｄ，１４−２ｄ，１４−３ｄ，‥‥
より構成されている。更に、それら光ファイバの内で、
半球の面Ｓの端部に近いものほど、入射側の端部の形状
を変形させて各入射側の端部がそれぞれ半球の面Ｓにほ
ぼ垂直に接するようにする。例えば光ファイバの入射側
の端面１４−１ａ，１４−２ａ，１４−３ａ，‥‥の近
傍の光ファイバ自体の光軸はそれぞれ半球の面Ｓに垂直
である。また、光ファイバの射出側の端面１４−１ｂ，
１４−２ｂ，１４−３ｂ，‥‥はそれぞれＵＶ平面に配
列されている。

【００４１】これにより、例えば射出角θ₃ で光ファイ
バの端面１４−３ａに入射する光も、コア１４−３ｃを
効率的に伝播して端面１４−３ｂに達する。このように
この実施例によれば、半球の面Ｓの内部から射出された
光が効率的にフーリエ変換面であるＵＶ平面に供給され
る。なお、上述の第１実施例〜第３実施例は原理説明の
（３）式、（４）式に沿った例であるが、原理説明で示
した図８に示すように、フーリエ変換面の縮小又は拡大
を行ってもよい。

【００４２】次に本発明の第４実施例につき図５を参照
して説明する。本実施例は反射型の光学系の例である。
図５は第４実施例の概略断面図を示し、この図５におい
て、開口面Ｐ１上の原点を中心として半径ｆ₁ の半球の
面１５を想定する。また、開口面Ｐ１上にはフーリエス
ペクトルの測定対象としてのｘ方向の幅がそれぞれξ₁
及びξ₂ の反射型パターン１０Ａと反射型パターン１０
Ｂとが配置されている。いま、入射平面波Ｉが半球の面
１５の一部を通過して斜めに開口面Ｐ１に入射するもの
として、図５の角度θ₁ から角度θ₂ の観測方向に対応
するフーリエスペクトルを観測することを考える。

【００４３】斜め方向からの平面波Ｉの照明領域中に反
射型パターン１０Ａのみが存在する場合は、原理説明で
言及した図９の面Ｐ３上のフーリエスペクトルと同じ分
布のフーリエスペクトルが得られる筈である。このフー
リエスペクトルを図５の面Ｐ３上の分布１６でも示す。
図５の場合は、平面波Ｉの中に反射型パターン１０Ｂも
存在するために、フーリエスペクトルとしては反射型パ
ターン１０Ａと１０Ｂとの各々のフーリエスペクトルを
復合したものが観測される。本実施例では入射する平面
波Ｉの中から任意の領域のフーリエスペクトルを得るた
めに、更にレンズ１７とスリット板１８とを追加する。

【００４４】即ち、開口面Ｐ１の反射型パターン１０Ａ
から反射される光をレンズ１７で面Ｐ５のスリット板１
８の中央のスリット内に集束し、その反射型パターン１
０Ａの周囲の物体からの反射光をそのスリット板１８で
遮る。例えば図５の光学系を実際に欠陥検査装置に組み
込んで使用する際には、検査対象物以外から発生する不
要な迷光等がそのスリット板１８によりカットされる利
点がある。

【００４５】図５において、開口面Ｐ１の像がレンズ１
７により面Ｐ５上に結像され、そのスリット板１８のス
リット内には反射型パターン１０Ａの像１０ＡＩが結像
される。即ち、像１０ＡＩの周囲の光をスリット板１８
により遮光し、像１０ＡＩを形成している光線のスペク
トルのみを抽出する。そして、そのスリット板１８のス
リットを中心として半径ｆ₂ の半球の面１９を想定し、
その半球の面１９に入射側の端面が接するように光伝達
素子２０−１，２０−２，２０−３，‥‥を配列し、こ
れら光伝達素子の射出側の端面を面Ｐ５と平行なフーリ
エ変換面Ｐ６上に配置する。その面Ｐ５の座標系をｘ′
軸及びｙ′軸で表し、そのフーリエ変換面Ｐ６の座標系
をＵ′軸及びＶ′軸で表す。

【００４６】この場合、前述の（１１）式を満足するよ
うに半径ｆ₂ を決定し、面Ｐ５の反射型パターンの像１
０ＡＩからの光をそれぞれ光伝達素子２０−１，２０−
２，‥‥によりフーリエ変換面Ｐ６上に導く。フーリエ
変換面Ｐ６上には、分布２１で示すように光伝達素子の
分解能に応じたフーリエスペクトルの強度分布が得られ
る。

【００４７】なお、本実施例では、反射型パターン１０
Ａが微小な場合について説明したが、開口面Ｐ１上のフ
ーリエ変換されるべき対象が反射性であれ、又は透過性
であれ、種々の大きさの測定対象物についてフーリエス
ペクトルを得ようとすると、常に（１１）式を満足する
ことは難しい。任意の大きさの測定対象物のフーリエス
ペクトルを得るには次の２つの方法がある。

【００４８】第１の方法は、図５に示す第４実施例にお
けるスリット板１８のスリットの空隙を（１１）式を満
足するように微小にすることである。また、第２の方法
は、図５に示す第４実施例又は原理説明に用いた図７、
図９に示す構成において、入射平面波Ｉの開口面Ｐ１上
での照明領域を（１１）式を満足するように微小にする
ことである。この第２の方法は、前述したように、微細
な欠陥を検査する検査装置において一般的に用いられる
照明光学系により容易に実現できる。即ち、このような
欠陥検査装置では通常、細く絞り込まれたレーザービー
ムが検査対象物に照射されるからである。

【００４９】また、その第１の方法を用いたとき得られ
るフーリエスペクトルは、スリット板１８のスリットの
空隙のフーリエスペクトルが畳み込み積分（コンボリュ
ージョン）されたものとして測定され、その第２の方法
を用いたとき得られるフーリエスペクトルは、照明領域
のフーリエスペクトルが畳み込み積分（コンボリュージ
ョン）されたものとして測定される。実空間の関数ｆ
（ｘ，ｙ）のフーリエ変換をＦ［ｆ（ｘ，ｙ）］で表
し、空間周波数空間の２個の関数ｆ₁ （ｕ，ｖ）及びｆ
₂ （ｕ，ｖ）の畳み込み積分をｆ₁ （ｕ，ｖ）＊ｆ₂
（ｕ，ｖ）で表すと、その第１の方法で得られるフーリ
エスペクトル及びその第２の方法で得られるフーリエス
ペクトルはそれぞれ次の（１２）式及び（１３）式で表
すことができる。

【００５０】ここで、（１２）式及び（１３）式で使用
される関数の定義を以下に示す。Ａ（ｘ，ｙ）：測定対象の開口面での振幅反射率（又は
透過率）分布、ａ（ｕ，ｖ）：Ａ（ｘ，ｙ）のフーリエスペクトル、Ｂ₁ （ｘ，ｙ）：スリットの空隙を示す振幅透過率分
布、Ｂ₂ （ｘ，ｙ）：入射ビームの照明領域での振幅分布、ｂ₁ （ｕ，ｖ）：Ｂ₁ （ｘ，ｙ）のフーリエスペクト
ル、ｂ₂ （ｕ，ｖ）：Ｂ₂ （ｘ，ｙ）のフーリエスペクト
ル。

【００５１】Ｆ［Ａ（ｘ，ｙ）・Ｂ₁ （ｘ，ｙ）］＝ａ（ｕ，ｖ）＊ｂ₁ （ｕ，ｖ）（１２）Ｆ［Ａ（ｘ，ｙ）・Ｂ₂ （ｘ，ｙ）］＝ａ（ｕ，ｖ）＊ｂ₂ （ｕ，ｖ）（１３）この場合、測定対象物のフーリエスペクトルのみを抽出
するには、（１２）式の左辺又は（１３）式の左辺にお
いてそれぞれ関数（ｂ₁ （ｕ，ｖ））^-1又は関数（ｂ₂
（ｕ，ｖ））^-1を畳み込み積分すればよい。

【００５２】なお、本発明は上述実施例に限定されず、
例えばｆθレンズや通常のレンズに適用するなど、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ること
は勿論である。

【００５３】

【発明の効果】本発明の第１の光学素子によれば、大き
く傾いて射出される光をも光伝達素子で射出端側に導く
ことができるので、その射出角が例えば９０°に近い程
大きい場合でも所定の変換規則に従ってその光を所定の
平面上に集束できる利点がある。また、第２の光学素子
によれば、射出角が大きい光に対しても正確にフーリエ
変換が行われるので、特に微細な物体のもつフーリエス
ペクトルを従来よりも広い周波数領域において観察でき
る利点がある。この第２の光学素子は特に、例えばフー
リエ変換面の強度分布情報を用いる基板の欠陥検査装置
のような装置、又はリアルタイムでフーリエ変換面の強
度分布を解折する原理に基づく装置等への応用に適して
いる。

【００５４】また、光伝達素子をライトガイドで構成し
た場合又は光伝達素子の入射端を球面に略垂直にした場
合には、光の伝播効率が更に向上する。更に、複数の光
伝達素子の光の入射端を球面の中心を通る平面へ正射影
して得られる配列と複数の光伝達素子の光の射出端の配
列とがそれぞれ直交座標上の配列である場合には、以後
の画像処理等が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学素子の第１実施例を示す一部
を省略した斜視図である。

【図２】第１実施例の概略断面図である。

【図３】本発明の第２実施例の概略断面図である。

【図４】本発明の第３実施例の概略断面図である。

【図５】本発明の第４実施例の構成を示す一部断面図を
含む光路図である。

【図６】従来のフーリエ変換レンズの原理説明図であ
る。

【図７】本発明の光学素子の透過照明における原理説明
図である。

【図８】図７を変形した場合の原理説明図である。

【図９】本発明の光学素子の反射照明における原理説明
図である。

【符号の説明】

１開口１０反射型パターンＳ半球の面１１−１，１１−２，１１−３，‥‥ 四角柱状光ファ
イバ１１−１ｃ，１１−２ｃ，１１−３ｃ，‥‥ コア１１−１ｄ，１１−２ｄ，１１−３ｄ，‥‥ クラッド１２−１，１２−２，１２−３，‥‥ 四角柱状パイプ１３隔壁１４−１，１４−２，１４−３，‥‥ 光ファイバ１８スリット板１５，１９半球の面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ光の入射端が球面上の異なる位
置に配列されると共に、それぞれの光の射出端が２次元
の格子状に配列された複数の光伝達素子を束ねて構成し
た事を特徴とする光学素子。
【請求項２】前記複数の光伝達素子の光の入射端を前
記球面の中心を通る平面に正射影して得られる配列と前
記複数の光伝達素子の光の射出端の配列とが相似である
事を特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】前記複数の光伝達素子はそれぞれライト
ガイドである事を特徴とする請求項１又は２記載の光学
素子。
【請求項４】前記複数の光伝達素子の光の入射端がそ
れぞれ前記球面に略垂直であることを特徴とする請求項
１、２又は３記載の光学素子。
【請求項５】前記複数の光伝達素子の光の入射端を前
記球面の中心を通る平面へ正射影して得られる配列と前
記複数の光伝達素子の光の射出端の配列とがそれぞれ直
交座標上の配列である事を特徴とする請求項２記載の光
学素子。