JPH07506680A - 広いスペクトル帯域幅を有するエリア分割ビームスプリッタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 広いスペクトル帯域幅を有する エリア分割ビームスプリッタ 技術分野 この発明はエリア分割（ａｒｅａ−ｄ　ｉ　ｖ　ｉ　ｓ　ｉ　ｏｎ）型の光学ビ ームスプリッタ、すなわち反射するまたは透過する異なる光線がビーム分割表面 への入射の空間位置によって区別される光分割光学素子に関する。

背景技術 ビームスプリッタは、多くの光学系において広く用いられている構成要素である 。たとえば、ビームスプリッタは、図１に示される薄膜測定顕微鏡等の回折限界 光学結像および測定系において使用できる。この顕微鏡は、アーク灯等の広帯域 光源Ｉｔを含み、この光源は典型的には少なくとも２５０−１２００ｎｍの波長 範囲を有する光を供給するが、この範囲は２００−２５００ｎｍまたはそれを超 えて伸び得る。反射フィルタホイール等の帯域選択フィルタ１３が光路に位置さ れて、この利用可能な波長範囲内の対象の特定オクターブ帯域を選択し得る（Ｉ Ｉ微鏡のスペクトロメータ２７において次数の異なる回折光が重なるのを避ける ため）。典型的には、空間ホモジナイザ１５が光路に置かれて、照射系によるビ ームの何らかのアーチファクトを排除する。次に、特に本発明の対象となるビー ムスプリッタ１７が、光ビームの一部を顕微鏡の対物レンズ１９へと反射して観 察または測定すべき対象物またはワークピース２１の領域を照射するように位置 される。ワークピース２１から反射または散乱した光は、ｇｕｍ鏡の対物レンズ １９によって開口２５を有する反射性視野絞り２３へと集められ、焦点を合わせ られるが、光は対物レンズ１９から絞り２３に向かう途中で部分的にビームスプ リッタ１７を透過する。この態様で、ワークピース２１の照射された領域が絞り ２３上で結像される。小さなスリット等の開口２５は、ここで図示されるように 凹面反射回折格子２９および検出器アレイ３１およびゼロ次検出器３６を有する スペクトロメータ２７への入射となり得る。開口２５を通らない光は、典型的に は系の光軸に対して４５°の角度で配向される視野絞り２３によって反射され、 リレーレンズおよびミラー３３を介して接眼レンズ３５等の観察光学装置に照射 される。開口絞り３４をリレーレンズ３３の間で観察系に置いて、接眼レンズ３ ５に至るまでに像にアーチファクトがもたらされるのを確実に防ぐようにしても よい。これに類似した顕微鏡の詳細は、ケルダーマン（Ｋｅｌｄｅｒｍａｎ）ら への米国特許第４．８４４．６１７号、および他の多くの刊行物に見いだされる 。

上述の例におけるビームスプリッタ１７および他の多くの光学系におけるビーム スプリッタは、広い性能帯域幅、すなわち非常に広いスペクトル範囲にわたって ほぼ中性のスペクトル応答を有することを要求される。結像系において用いられ るビームスプリッタは、観察される像にそれら自体のアーチファクトをもたらし てはならない。さらに、ビームスプリッタは湿度および他の環境上のファクタに おける変化に対して影響を受けず、かつ耐久性がなくてはならない。分光系等の 、利用可能な光を効率的に用いる必要のある光学系では吸収度が低いことが肝要 である。

ビームスプリッタには、本質的に２つの基本型、すなわち波面分割ビームスプリ ッタおよびエリア分割ビームスプリッタがあり、どちらも他方に対して独自の利 点がある。

波面分割ビームスプリッタは、結像系において一般に好んで用いられるが、これ はその部分的に反射性で部分的に透過性のコーティングのエリアに関して（ａｒ ｅａＩｖｉｓｅ）の応答が均一であるために、これらの系で必要とされる非常に 優れた解像度を与えるからである。しかしながら、吸収度の低いこのタイプの広 帯域ビームスプリッタを製造することは非常に難しい。さらに、従来の技術によ るビームスプリッタのコーティングは、環境的条件の変化において分光的に安定 しかつ耐久性があるわけではない。特に、はとんどの全誘電体光学コーティング は、室内の湿度が変わると性能が明らかに変化する。対照的に、全フッ化物誘電 体コーティングは湿度に対しては敏感ではないかもしれないが、その代わりに幾 分もろい場合が多い。イオン添加溶着技術を用いて形成されるコーティングを用 いて、湿度の影響を受けず、かつ耐久性のあるコーティングを形成することもで きるが、このようなコーティングが紫外（少なくとも２５４ｎｍまで）および可 視領域の両方で機能するかどうかはわかっていない。金属−誘電体ハイブリッド コーティングは広帯域の性能を達成するが、比較的損失が多く、したがって分光 的光学系等で用いるには最適とは言えない。さらに、ハイブリッドコーティング で使用される誘電体材料は、全誘電体コーティングと同じように耐久性と湿度に 対する感度との間で不所望のトレードオフをもたらすと考えられている。

エリア分割ビームスプリッタもまた、よく知られている。

たとえば、スズキらへの米国特許第４．５８６．７８６号は、ガラス表面に配置 された蓮数個のアルミニウムの正方形または円等の、ランダムに配置された光反 射部および光透過部のパターンを有するビームスプリッタを開示している。この 配置がランダムなのは、周期的に配置されれば回折によって点像の強度分布が悪 くなってしまうのでそれを避けるためである。しかしながら、この配置は、セン サ表面に達する光の量における不規則さまたは変動が５％を超えるほどランダム にならないように選択される。反射部は、光軸に沿ったビームスプリッタから像 面まての距離のＩ／ｌ　ＯＯないし１／１０のオーダの最小寸法または幅を有し 、典型的にはＦ１５．６の点、ｐａ結像光ビームがビームスプリッタ表面を照射 するのと等しい寸法を有する。

アメリカ合衆国コネチカット州ストラットフォード（Ｓｔｒａｔｆｏｒｄ）のオ リニル社（Ｏｒｉｅｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）は、図２に示される「水玉」 ビームスプリッタを販売しており、これは中心から中心までの距離が３．２ｍｍ だけ離れた直径２゜５ｍｍのアルミニウムの点４３の周期的パターンを有し、フ ラットＵＶグレード溶融石英基板４１上にコーティングされ、保護シリカオーバ ーコートで保護されている。このビームスプリッタは非常に広帯域の性能を有し 、２５ｏ−２５００ｎｍ波長範囲にわたって反応が中性であると言われている。

シリカオーバーコートを有する厚いアルミニウム膜は反射スペクトルを特徴とし 、一方シリカ基板は透過スペクトルを特徴とする。５ｏ％Ｒ１５０％Ｔ分割に適 した最小のヒーム直径は９．５ｍｍである。オリニル社はまた、４／ｍｍだけ間 隔を空けられた対称の三角形の側面を存する、ガラス基板表面上に形成される一 連の小さなミラーフェーセットからなる「粗格子」ビームスプリッタも販売して いる。基板はアルミニウムおよび保護オーバーコートでコーティングされる。フ エーセット表面の形状は、法線入射ヒームを入射ヒームに対して４５°　（互い に対して直角）または入射ビームに対して６０’の２つの反射ビームに分割する のに利用できる。やはり、オーバーコートされたアルミニウムは反射スペクトル を特徴とする。

「水玉」ビームスプリッタが図１の薄膜測定１ｊ１微鏡で用いられると、対物レ ンズ１９の瞳はビームスプリッタ上の点に対応するパターンの充て部分的に満た されるに過ぎないてあろう。これは必然的に対物レンズ１９によって反射絞り２ ３上で形成された像を修正しなくてはならない。ビームスプリッタの効率は、水 玉の像が反射していかに整列するかにＲＴ積が依存するので予測しがたい。その 販売用パンフレットで、オリニル社はこれを購入し得る者に対して、これらのビ ームスプリッタを結像系の何らかの焦点面近くて用いてはならないと警告してい る。同様に、その「粗格子」ビームスプリッタに関して、オリニル社は、格子か 連続表面ビームスプリッタとしては機能しないので結像系に関しては勧められな いとしている。

米国特許第１．５０９．９３６号で、ダグラス（Ｄｏｕｇｌａｓｓ）は、カメラ レンズの後方に位置されて、ある対象物の複製像を写真フィルムの２つの別個の シートに形成するための光透過および反射装置を開示している。２つの広角プリ ズムが、その大きな面が互いに係合するように位置される。プリズムにはその大 きな面に沿って複数の平行、等距離で三角形のカットまたは凹部が設けられ、凹 部はその間に位置される複数の平行な光反射表面によって互いから分離される。

プリズムは、互いに係合されると立方体を形成し、これはその中に対角線上に一 連の正方形の間隙および反射表面を交互に有し、間隙は大きな面上のカットに対 応して、光線かそこを透過し得る領域を与える。透過性の間隙と間隙の間の係合 する表面には、光を反射するように反射性材料のコーティングか必要である。さ らに、反射スペクトルは、使用される何らかのコーティング材料のそれと一致す る。

この発明のある目的は、回折限界結像系において用いるのに適切な広帯域エリア 分割ビームスプリッタを提供することである。

この発明の別の目的は、室内の湿度および他の環境上の変化に対して影響を受け にくくかつ耐久性があり、コーティング材料の反射率に依存しない中性の反射応 答を有する広帯域エリア分割ビームスプリッタを提供することである。

発明の開示 上述の目的は、全反射（ＴＩＲ）を利用し、したがってヒームを複数の光路に分 割するのに何らかの帯域幅制限誘電体コーティングまたは反射性金属膜を必要と しないエリア分割ビームスプリッタで達成される。一般に、このビームスプリッ タは２つの係合する透過性材料表面を含み、これらは光の入射に関してＴＩＲの 臨界角を上回る角度で配向され、２つの表面のある領域は光学的に接触して入射 光を透過し、２つの表面の他の領域は光学的に接触しないで、この接触しない領 域における一方の表面に入射する光をすへて反射する間隙を形成するようにされ る。

この発明の特定の実施例では、ビームスプリッタは１対の連続プリズムを含み、 一方のプリズムは交互に凸部と凹部とがあるパターン化された表面を有し、他方 のプリズムは平坦な表面を有する。プリズムは、一方のプリズムの凸部と他方の プリズムの平坦な表面とが互いに接触してそこを光が透過し得る光学的に連続し た媒質を形成するように当接される。一方のプリズムの表面における凹部は、他 方のプリズムの平坦表面から間隔を空けられて、１対の当接するプリズム内で光 がそこで完全に反射され得るプリズム−空気のインタフェースのパターンを形成 する。したがって、−プリズム間の全体のインタフェースは、交互に存在するプ リズム−プリズムおよびプリズム−空気のセグメントからなり、それぞれ透過お よび反射をもたらす。

このおよび他のエリア分割ビームスプリッタは均一な波面分割ビームスプリッタ と光学的に識別不能に見せることができ、そのように形成されると、回折限界光 学系で用いることができる。特に、網目（ｒｅｔ　１ｃｕｌａｔ　１ｏｎ）の寸 法、すなわちパターンの最も近い凸部と凸部の間または最も近い凹部と凹部との 間の中心から中心までの間隔ｄは、パターンから回折された光が系の開口の外に 位置するように十分型さいものでなくてはならない。つまり、凸部および凹部の 間隔は、−次回折光（およびより高次の回折のすべて）光学系の対物レンズ、回 折格子等の開口の外側に位置するように、十分に近くなくてはならない。これは 、図１の薄膜測定顕微鏡では、たとえば、ビームスプリッタのパターンの中心か ら中心までの間隔ｄがλ／２・ＮＡを上回らない場合てあり、ここでλは対象の 最小波長であり、ＮＡは顕微鏡の対物レンズの後側の開口数である。典型的には 、最も近い凸部と凸部の間または最も近い凹部と凹部との間の間隔は、最大で１ ０μｍであり、多くの場合これよりもはるかに小さい。このような細かい間隔は 、フォトリソグラフィ技術を用いてプリズム表面のバターニングされたエツチン グによって形成できる。

コーティングのない構造の利点は、環境上の安定性、広いスペクトル帯域幅およ び無視てきる程度の吸収損を含む。

図面の簡単な説明 図１は、本発明のビームスプリッタを用いる薄膜測定顕微鏡の側面図である。

図２は、先行技術のエリア分割ビームスプリッタの上面図である。

図３は、本発明のビームスプリッタの斜視分解図である。

図４および５は、図３のビームスプリッタの一方のプリズムの構成要素の代替実 施例の斜視図である。

図６は、本発明の組立てられたビームスプリッタの一部を拡大した側部断面図で ある。

発明を実施するためのベストモード 図３を参照して、その複合ピースに分離されて示される本発明のビームスプリッ タは、透過性材料からなる２つの合同な二等辺三角形のプリズム５１および５３ から形成される。典型的なプリズム材料は、ＵＶ透過ガラス、溶融シリカ、石英 および蛍石である。材料は、対象の波長に依存して、少なくとも２５０〜１２０ ０ｎｍの波長範囲、好ましくは２００−２５００ｎｍの波長範囲、または１ｌ８ ０−３０００ｎまたはそれを上回る範囲にわたって透過性でなくてはならない。

各プリズム５１および５３は、１対の対向する二等辺三角形のベース５９−６２ の間に延在し、等角度θによって特徴付けられる１対のエツジ６３−６６によっ て制限されるコーティングのない主平面５５および５７をそれぞれ存する。各プ リズムはまた、１対の対向するプリズムベース５９−６２の間に伸びる１対の二 次面６７−７０を有し、各二次面６７−７０は、一般に等しくない角度θおよび φによって特徴付けられる１対のエツジ６３および７１６４および７１，６５お よび７２、ならびに６６および７２によって制限される。

１対のプリズム５１および５３の主平面５５および５７は、図６に示されるよう にこれらがベース５９および６１からベース６０および６２まで、ならびにエツ ジ６３および６５からエツジ６４および６６まで互いに係合して平行四辺形ベー スのプリズムを形成するように当接される。このように当接されると、主平面５ ７および５９は合わせて、組合わされたエツジ６３および６５から組合わされた 工・ソジ６４および６６に至る、平行四辺形ベースのプリズムを貫く対角線を形 成する。１対のプリズム５１および５３は、組合わされたエツジ６３および６５ に沿ってベース５９および６１からベース６０および６２まで、ならびに組合わ されたエツジ６４および６６に沿ってベース５９および６１からベース６０から ６２まで延在する図示しないエッジソールによって互いに係合される関係て固く 保持するようにしてもよい。長い対角線のエツジもまた封止され得る。

これらのエツジシールは、組合わされたエツジに施される接着剤の紐またはリボ ンであってもよく、または組合わされたエツジ６３および６５上を二次面６７お よび６９に、同様に組合わされたエツジ６４および６６上を二次面６８および７ ０に接着される接着テープまたはウェブであってもよい。組合わされたエツジか ら離れた二次面６７−７０の中央の領域は、光かこれらの中央の領域を阻止され ないで通ることができるようにエツジシール材料がない状態になくてはならない 。

三角形のプリズム５３の主平面５７は実質的に平坦である。三角形のプリズム５ １の主平面５５は、隆起したおよび窪んた部分のパターン化された表面を有する 。図４および５は２つのこのようなパターンを示す。図４において、プリズム５ １の主平面は、長手て間隔を空けられた、平坦な線状の隆起部またはメサ（ｍｅ ｓａ）　７５、および長手の間隔を空けられた、平坦な線状の溝７７からなるパ ターン化された表面を有する。隆起部７５および溝７７は交互に存在して一種の 波形を形成する。隆起部またはメサ７５の頂部は、図３における他方のプリズム ５３の実質的に平坦な主平面５７に密に係合てきるように平坦で共通の平面にな くてはならない。好ましくは、溝７７の底部も、プリズム５１からこれらの溝の 底部に入射する光波が光学的に平坦な表面から反射するように、平坦で一平面に 存在する。しかしながら、溝の底部の形状または平坦さは、光線がプリズム５３ を介して平坦の表面５７にのみ入射する場合には、重要ではない。

図５において、代替プリズム５１ａは、複数の箱状のマウンド７９およびビット ８１からなり、このようなマウント７９およびピット８１の行および列のチェッ カー盤状のパターンを形成するパターン化された表面を備えた主平面を有する。

マウンド７９およびビット８１はそれぞれパターンの１つおきの対角線にあるよ うに、チェッカー盤状のパターンの行において交互に存在し、またチェッカー盤 状のパターンの列においても交互に存在する。図４の隆起部７５および溝７７と 同様に、マウンド７９の頂部もまた、他方のプリズム５３の実質的に平坦な主平 面５７に密に係合てきるように、共通の平面にある平坦な正方形であるべきてあ り、ピットの底部は、好ましくはプリズム５１ａからそこに入射する光の反射の ために光学的に平坦な表面を与えるように一平面に存在する平らな正方形である 。図４および５に示されるもの以外の、交互の隆起領域または凸部および窪んた 領域または凹部のパターンを用いてもよい。

図６を参照して、プリズム５１と５３とが当接されると、三角形のプリズム５１ の、隆起部またはメサ７５等の隆起した部分または凸部か、光学的に連続したイ ンタフェースで三角形のプリズム５３の実質的に平坦な表面５７と密に係合する 。これらの凸部７５が位置する（かつ隆起部／溝の境界のエツジから離れている ）領域でこの光学的に連続したインタフェースに入射する光線ＢおよびＤは、イ ンタフェースをきれいに透過する。光はプリズム５１または５３のいずれからも 入射てき、光学的に連続したインタフェースを介して他方のプリズム５３または ５１に渡る。

ｒ１１ｔ７７等の三角形のプリズム５１における窪んだ部分または凹部は、凹部 ７７の底部とプリズム５３の平坦な主平面５７との間に形成された間隙８３にお ける透過性エバネッセント波結合を実質的に抑えるのに十分な深さでなくてはな らない。通常は、凹部７７を隆起部７５よりもその光学系によって処理されるべ き最長の波長の少なくとも１波長深くすれば十分である（例えば、約２．５μｍ の深さ）。

好ましくは、凹んだ部分は１波長よりもかなり深い。５〜ＩＯμｍの深さか典型 的であり、表面パターンの網目の寸法にも依存する。したがって、光学的に連続 しない間隙８３か、三角形のプリズム５１の凹部７７の底部と三角形のプリズム ５３の実質的に平坦な主平面５７との間で平行四辺形ベースの組合わされたプリ ズムの対角線上に形成される。臨界角θ。を上回る角度θてこれらの光学的に連 続しない間隙８３に入射する光線ＡおよびＥは、平坦な表面５７または７７の法 線に対して等角度θで完全に反射する。

やはり、光はプリズム５１または５３のいずれから入射してもよい。プリズム５ ３からプリズム５３の平坦な主平面５７に間隙８３の位置で入射した光線Ａは、 表面５７でのプリズム−空気のインタフェースによってきれいに反射され、プリ ズム５３内に留まる。プリズム５Ｎから溝７７の底部に入射した光線Ｅもまた、 これらの溝の底部が光学的に平らであり共通の平面にあれば、プリズム−空気の インタフェースによってきれいに反射される。光Ｅの反射光線はプリズム５１内 に留まる。

図３および６の両方を参照して、ビームスプリッタは、凹部７７の位置て間隙８ ３によって与えられるプリズム−空気のインタフェースから光が反射するときの み適切に動作する。全反射を確実にするために、光線ＡおよびＥは、対象の範囲 内のすへての波長に関して少な（とも臨界角θ。である角度θて間隙８３におい てインタフェースに入射しなくてはならない。したがって、ビームスプリッタの 臨界角θ。は、 θ。＝ａｒｃｓ　ｉｎ　（１／ｎ−＋ｎ　）と定義され、ここてｎ、１．は、プ リズム材料の波長λの選択された範囲内の最小屈折率であり、プリズム材料は屈 折率ｎ（λ）によって特徴付けられる。入射角θをこの定義されたビームスプリ ッタ臨界角θ。よりも大きくすることで、選択された範囲内のすへての波長λに 関して全反射が確実となる。典型的には、入来する光はまず、プリズム構造の二 次面６７−７０に、好ましくはこの二次面６７−７０に垂直に入射する。この面 ６７−７０を介してプリズム構造に入り（かつ光が二次面６７−７０に垂直に入 射しなければその過程で屈折され）、光はインタフェースに達し、ここでエリア に関して透過および反射が起こる。三角形のプリズム５１および５３の等角度の エツジ６３−６６が角度θによって特徴付けられれば、二次面６７−７０への法 線入射は、結果としてビーム分割インタフェースへの入射が同じ角度θとなる。

したがって、二等辺三角形プリズム５１および５３のプリズムエツジ６３−６７ は、好ましくは上述の式によって定義されるビームスプリッタ臨界角θゎに少な くとも等しい角度θで形成され、これは二次面６７−７０への法線入射が対象の すべての波長で全反射を確実にするからである。プリズム５１および５３は、典 型的には４５°−４５°−９０°ベースのプリズムである。

本発明のビームスプリッタは、ビーム分割インタフェースに反射コーティングを 必要とせず、そのためコーティングされるビームスプリッタに影響を与える環境 上の変化に影響されない。耐久性があるだけでなく、これはプリズム媒質と等し いスペクトル帯域幅で動作する。さらに、全反射が用いられるので、ビームスプ リッタは非偏光である。

その効率は、凹部７７のエツジでおこるシャドーイングおよび回折損失によって のみ制限される。図６において、溝−隆起部の境界に当たる光線Ｃは、透過光線 ＢおよびＤにも反射光線ＡおよびＥにも対応しない方向に主光路から散乱される ことに注目されたい。

ビーム分割表面５７および７７以外の表面から反射され得る強い光は、いくつか の技術を用いて低減または排除する−ことができる。光学系から第２表面反射を 偏向するために傾斜表面を用いてもよい。偏光が許容できる、または望ましくさ えある場合には、入射および射出面６７−７０は、垂直の入射および射出面に変 わってブルースター角表面にしてもよい。たとえばＭｇＦ、等の単一層ＡＲココ −ィングは、広いスペクトル範囲にわたって比較的良い性能を有する。グレーデ ッド密度５ｉＯｚコーテイングもまた、もろさを許容できる場合には用いてもよ い。

再び図１を参照して、本発明のビームスプリッタは、一時的に回折格子として考 えられるビームスプリッタによってもたらされる一次（およびより高次の）回折 ビームが顕微鏡の対物レンズ１９の開口の外に偏向されるようにパターニングさ れるビーム分割表面の網目の寸法が選択されるのであれば、口承される薄膜測定 顕微鏡におけるビームスプリッタ１７に、および他の回折限界光学系で用いるこ とができる。ビームスプリッタの網目に関する唯一の光学的情報は、完全に対物 レンズ１９の外に回折する光に含まれるので、対物レンズ１９は、波面分割ビー ムスプリッタから均一な波面によって照射されるのど全ぐ同じように応答し、結 果としてできる像の違いは認識できない。網目は効果的に光学系にとって見えな いものとなり、概して、本発明のエリア分割ビームスプリッタは、均一な波面分 割ビームスプリッタと光学的に区別できない。

図１の回折限界光学系は観察光学装ｆｔ３５に至る系の光軸から最大角度までの 角度ゾーン内にある光線のみを透過する開口絞り３４を有する。同様に、格子２ ９の周辺部３７は、検出器アレイ３１またはゼロ次検出器３６に達する光線のた めの開口絞りとして作用する。この角度ゾーンは開口数ＮＡによって特徴付けら れる。ビームスプリッタの網目等によって系の開口の外に回折された光は、開口 絞り２３および３７によってブロック、または遮られる。このように、角度ゾー ン外の迷光が像に作用するのを防ぎ、アーチファクトは認められない。開口絞り ２３および３７が対物レンズ１９の後側の開口数に一致するような寸法にされれ ば、ビームから光学的情報が損失されない。

ビームスプリッタ！７が像面に近接した、テレセントリック対物レンズ１９の単 純な場合に関して、パターン化されるビーム分割表面の最も近い凹部間または凸 部間の中心から中心までの間隔ｄは、 ｄくλ／２・（ＮＡ） となるように選択されるべきであり、ここでλは対象の最小波長であり、ＮＡは ｗｉ微鏡対物レンズ１９の後側開口数である。これは単に、通常の対物レンズ１ ９の前側ではな（開口数の低い後側に与えられる、顕微鏡の解像度に関するアツ ベの基準である。後側とは、その網目を系に解像させたくないビームスプリッタ １７と同じ対物レンズ１９の側である。

たとえば、対物レンズ１９が前側で０．５の開口数および４０Ｘの倍率を有する 場合には、後側の開口数は０．５／４０＝０．０１２５となるであろう。光学系 によって処理すべき最小波長が２５０ｎｍであれば、網目の寸法ｄは２５０ｎｍ ／２・　（０，０１２５）＝１０ａｍを下回るはずである。図３ないし５のプリ ズム５１のパターン化された表面５５における最も近い凸部間または最も近い凹 部間の中心から中心までの間隔は、最大でも１０μｍでなくてはならない。顕微 鏡の対物レンズ１９がたとえば３６Ｘの倍率を有し、かつ光学系によって処理す べき最小波長が１８０ｎｍであれば、後側の開口数ＮＡは０．０１３８９となり 、最大の網目の寸法ｄは６．４８μｍとなる。

像面からある距離をおいたビームスプリッタ１７またはノンテレセントリック対 物レンズ！９に関しては、より大きな回折角およびより細かい網目が必要とされ るであろう。

このようなより小さな網目の寸法は、本発明のビームスプリッタ構造においては パターンをプリズム表面にエツチングするのにフォトリソグラフィ技術を用いて 簡単に達成できる。顕微鏡対物レンズの後側の開口数が低いので、必要とされる 回折角は、光のｌ波長（典型的には２．５μｍまでの波長が対象である）を実質 的に上回る網目の寸法で達成できる。「格子」の回折効率は、したがって比較的 低く、光学系によって回折から光はほとんと損失されず、ビームスプリッタは効 率的なままである。図１の系におけるビームスプリッタ１７に関するＲＴ積は、 本発明のビームスプリッタに関しては理論的に完全な２５％に近い。ビームスプ リッタ１７が系に挿入される点での開口数が低いほど、これはうまく作用する。

場合によっては、ビームスプリッタ１７の面で開口数をさらに低減しくかつそれ に対応してビームスプリッタの面でビーム領域を増大する）、従ってより粗い網 目のビームスプリッタを用いるのを可能にするため、または所与の網目の寸法で ビームスプリッタの帯域幅をさらに波長の短い光に広げるために、系にさらなる 光学素子を導入することが望ましいかもしれない。

所与の光学系について上述の網目に対する要件を満たす何らかのエリア分割ビー ムスプリッタを、波面分割ビームスプリッタの代わりにその光学系において使用 できる。すなわち、空間的に別個の光透過部および光反射部のパターンを備えた ビーム分割表面を有し、パターンが、ビームスプリッタからの一次およびより高 次の回折光が系の開口絞りによってブロックされ、したがって光学像に作用する のを防ぐのに十分率さい網目の寸法によって特徴付けられる、何らかのエリア分 割ビームスプリッタを用いることができる。このようなビームスプリッタは、そ の光反射部が単一層または多層薄膜コーティング、単一層または多層メタルコー ティング、単一層または多層誘電体コーティング、またはハイブリッド金属−誘 電体コーティングであるものを含み得る。はとんどの系においては図３−６に関 して先に説明した全反射の実施例が好ましいが、コーティングされるビームスプ リッタが技術的な利点を有し得る光学系もある。たとえば、図６の光線Ｃのシャ ドーイング効果が最小にされる必要がある系においては、コーティングされたビ ームスプリッタが好ましいかもしれず、これは、これらが１波長をかなり下回る コーティングの厚さを存して効果的であり、したがって全反射の実施例よりもシ ャドーイングを少なくできるためである。

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．ビームスプリッタであって、 １対のプリズムを含み、前記プリズムの一方は交互に凸部および凹部が存在する パターン化された表面を有し、前記プリズムの他方は平坦な表面を有し、前記プ リズムは、前記一方のプリズムの前記凸部と前記他方のプリズムの前記平坦な表 面とが互いに接触してそこを光が透過し得る光学的に連続した媒質を形成するよ うに当接され、前記一方のプリズムの前記凹部は、前記他方のプリズムの前記平 坦な表面から間隔を空けられて、前記１対の当接するプリズム内で光が完全にそ こで反射され得るプリズム−空気のインタフェースのパターンを形成する、ビー ムスプリッタ。
2. ２．前記プリズムが、少なくとも２５０−１２００ｎｍの波長範囲にわたって透 過性である材料からなる、請求項１に記載のビームスプリッタ。
3. ３．前記プリズム材料が、溶融シリカ、ＵＶ透過性ガラス、石英および蛍石から なる群から選択される、請求項２に記載のビームスプリッタ。
4. ４．前記パターン化された表面の最も近い凹部間および最も近い凸部間の中心か ら中心までの間隔が、最大で１０μｍである、請求項１に記載のビームスプリッ タ。
5. ５．交互に凸部および凹部が存在する前記パターン化された表面が、長手の隆起 メサおよび溝が交互に存在する波形を含む、請求項１に記載のビームスプリッタ 。
6. ６．凸部および凹部が交互に存在する前記パターン化された表面が、前記パター ンの１つおきの対角線に箱状のマウンドおよびピットがそれぞれ置かれた行およ び列のチェッカー盤状のパターンを含む、請求項１に記載のビームスプリッタ。
7. ７．エリア分割ビームスプリッタであって、屈折率ｎ（λ）の透過性材料からな る合同対の二等辺三角形プリズムを含み、各プリズムは、１対の対向する二等辺 三角形プリズムベース間に伸びて等角度θによって特徴付けられる１対のエッジ によって制限されるコーティングのない主平面を有し、各プリズムはまた、前記 １対の対向するプリズムベース間に伸びる１対の二次面を有し、各二次面は、等 しくない角度θおよびφによって特徴付けられる１対のエッジによって制限され 、前記１対のプリズムの前記主平面は、ベースからベースまでおよびエッジから エッジまで互いに係合して平行四辺形ベースのプリズムを形成し、前記主平面は 合わせて、前記平行四辺形ペースのプリズムを貫通するエッジからエッジまでの 対角線を形成し、前記平行四辺形ベースのプリズムを形成する前記三角形プリズ ムの一方の前記主平面は実質的に平坦であり、一方前記三角形プリズムの他方の 前記主平面は、隆起した部分と凹んだ部分のパターン化された表面を有し、前記 パターン化された表面の前記隆起した部分は、光学的に連続したインタフェース で他方の三角形プリズムの前記実質的に平坦な主平面に密に係合するように一平 面にあり、前記パターン化された表面の前記凹んだ部分は、前記パターン化され た表面の前記凹んだ部分と他方の三角形プリズムの実質的に平坦な主平面との間 で前記対角線上に光学的に連続しない間隙が形成されるように、前記隆起した部 分よりも深く、前記凹んだ部分は、前記間隙における透過性エバネッセント波結 合を実質的に抑えるのに十分な深さを有し、各二等辺三角形プリズムの前記主平 面を制限する前記１対のエッジを特徴付ける前記等角度θは、前記二次面の１つ に垂直に入射して、前記角度θで前記対角線に入射する波長λの選択された範囲 内のすべての光の前記対角線上の前記光学的に連続していない間隙での全反射に ついて、少なくとも、臨界角θｃに等しく、前記臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ１／ ｎｍｉｎであり、ここでｎｍｉｎは波長λの前記選択された範囲内の最小のｎ（ λ）である、エリア分割ビームスプリッタ。
8. ８．前記二等辺三角形プリズムが、４５°−４５°−９０°三角形に基づき、各 プリズムの前記主平面を制限する前記１対のエッジは、等しい４５°の角度によ って特徴付けられる、請求項７に記載のビームスプリッタ。
9. ９．前記１対のプリズムが、ベースからベースまで前記等角度のエッジに沿って 延在するエッジシールによって互いに係合した関係で保持される、請求項７に記 載のビームスプリッタ。
10. １０．前記パターン化された表面が、交互に存在する隆起した平坦な線状の隆起 部と凹んだ平坦な線状の溝とから形成される、請求項７に記載のビームスプリッ タ。
11. １１．前記パターン化された表面が、交互に存在する隆起したおよび凹んだ平坦 な正方形のチェッカー盤を形成する、請求項７に記載のビームスプリッタ。
12. １２．前記パターン化された表面の前記隆起した部分および凹んだ部分の各々が 、約１０μｍを下回る寸法を有する、請求項７に記載のビームスプリッタ。
13. １３．前記パターン化された表面の前記凹んだ部分が、波長λの前記選択された 範囲内のすべての光について前記隆起した部分よりも少なくとも１波長だけ深い 、請求項７に記載のビームスプリッタ。
14. １４．光学系であって、 光路に置かれて光学像を形成するための手段と、前記光路に置かれて、前記光路 に関連する光軸から最大角度までの角度ゾーン内の光線の透過を可能にし、かつ 前記角度ゾーン外の光線をブロックするための開口手段とを含み、前記角度ゾー ンは系の開口数（ＮＡ）を規定し、さらに 前記光路に置かれ、空間的に別個の光透過部および光反射部のパターンを備えた ビーム分割表面を有するエリア分割ビームスプリッタを含み、 前記パターンは、前記ビームスプリッタからの一次およびより高次の回折光が前 記開口手段によってブロックされ、前記光学像に作用することを防ぐのに十分に 小さい網目の寸法によって特徴付けられ、前記像はそれによって前記ビームスプ リッタパターンによるアーチファクトがない、光学系。
15. １５．前記パターンが、網目の寸法ｄ＜λ／２・ＮＡによって特徴付けられ、こ こでλは前記光線の最小波長である、請求項１４に記載の光学系。
16. １６．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、前記光線のすべての 波長で全反射する、請求項１４に記載の光学系。
17. １７．前記エリア分割ビームスプリッタが、２つの係合する透過性材料表面を含 み、前記表面は、前記２つの表面が光学的に接触する第１の領域と、前記２つの 表面が光学的に接触しない第２の領域とを含み、前記第２の領域において間隙を 形成し、前記２つの係合する透過性材料表面は、前記光路に対して、前記第２の 領域での光線の全反射に関する臨界角を上回る角度で配向される、請求項１６に 記載の光学系。
18. １８．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、薄膜コーティングで ある、請求項１４に記載の光学系。
19. １９．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、メタルコーティング である、請求項１４に記載の光学系。
20. ２０．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、誘電体コーティング である、請求項１４に記載の光学系。
21. ２１．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、ハイブリッドメタル ー誘電体コーティングである、請求項１４に記載の光学系。
22. ２２．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、単一層反射性材料コ ーティングである、請求項１４に記載の光学系。
23. ２３．前記エリア分割ビームスプリッタの前記光反射部が、多層コーティングで ある、請求項１４に記載の光学系。
24. ２４．前記像形成手段が対物レンズを含む、請求項１４に記載の光学系。